Bộ điều khiển vòng ngoài căn cứ vào giá trị công suất tác dụng và phản kháng đối với phía phát điện; công suất phản kháng và điện áp một chiều đối với phía nhận điện để tính [r]
Trang 1ĐIỀU KHIỂN TRAO ĐỔI ĐIỆN QUA BIÊN GIỚI VIỆT - TRUNG
BẰNG LIÊN KẾT ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP
SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC KIỂU MODULE
VIETNAM-CHINA BORDER POWER EXCHANGE CONTROLLING
BY MODULAR MULTILEVEL CONVERTER BASED HVDC INTERCONNECTION
Nguyễn Phúc Huy
Trường Đại học Điện lực
Tóm tắt:
Kết nối truyền tải điện một chiều (HVDC) là một giải pháp tốt để trao đổi công suất giữa hai mạng
điện khác nhau nhờ những ưu việt của nó Bài báo tiến hành nghiên cứu xây dựng mô hình mô
phỏng hệ thống kết nối HVDC sử dụng các bộ biến đổi đa mức điện áp kiểu module, mô phỏng và
ph n tích các trường hợp trao đổi công suất theo thực tế vận hành giữa Việt Nam và Trung Quốc
Bên cạnh ưu điểm về chất lượng sóng dòng điện và điện áp đầu ra tốt, vấn đề điều khiển công suất
tác dụng và phản kháng độc lập là một ưu thế rõ rệt trong vận hành linh hoạt hệ thống Liên kết
HVDC là một giải pháp cần được tính đến trong lập kế hoạch xây dựng liên kết lưới điện với các
quốc gia láng giềng, khai thác và sử dụng hiệu quả mạng điện, cũng như sử dụng hợp lý các nguồn
tài nguyên đất nước
Từ khóa:
Bộ biến đổi đa mức module, MMC, HVDC, điều khiển công suất, mạng điện liên kết
Abstract:
High voltage direct current (HVDC) interconnection is a suitable solution for exchanging power
between two separate power networks because of its benefits This paper deals with the simulation
model of Modular Multilevel Converter (MMC)-based HVDC system Case studies based on power
exchange situation between Vietnam and China are simulated and analysed Beside the high quality
output voltage and current waves, the independent control of active and reactive power is an
obvious advantage in the flexible operation of the connected networks Consequently, HVDC
interconnetion should be taken into account in planning and designing networks connecting between
neighbour countries, effectively exploiting power grids and national resources as well
Key words: 8
Modular Multilevel Converter, MMC, HVDC, power control, interconnection
Trang 2
1 MỞ ĐẦU
Hiện tại, Việt Nam và Trung Quốc đang
có liên kết lưới điện xoay chiều 220 kV từ
Guman - Lào Cai và Malutang - Hà
Giang Tổng sản lượng điện Việt Nam
mua của Trung Quốc năm 2016 là 1.500
GWh với mức công suất khoảng 300 MW
[1] Liên kết lưới điện xoay chiều giữa hai
hệ thống có một số khó khăn về kỹ thuật
như việc điều khiển dòng công suất, ổn
định hệ thống, ảnh hưởng qua lại lớn khi
có sự cố một phía Trong khi đó, liên kết
bằng hệ thống truyền tải điện cao áp một
chiều (HVDC) là một lựa chọn khả dĩ
ngay cả khi hai hệ thống khác tần số [2]
So với các cấu hình HVDC sử dụng các
bộ biến đổi nguồn dòng (LCC-HVDC) đã
sớm phát triển, các cấu hình liên kết sử
dụng bộ biến đổi nguồn áp (VSC-HVDC)
có nhiều ưu điểm vượt trội như độc lập
điều khiển công suất tác dụng và phản
kháng, các van bán dẫn IGBT có khả
năng tự chuyển mạch, dễ dàng kết nối với
lưới điện xoay chiều Trong hệ
VSC-HVDC, bộ biến đổi đa mức nguồn áp
(MMC) là thế hệ mới nhất trong công
nghệ bộ biến đổi, linh hoạt trong điều
khiển điện áp đầu ra với mức sóng hài rất
thấp [2-4] Cấu hình cơ bản của hệ thống
HVDC sử dụng bộ biến đổi MMC (sau
đây gọi tắt là MMC-HVDC) được thể
hiện trong hình 1
Hình 1 Cấu hình cơ bản của MMC-HVDC
Trong các phần tiếp theo của bài báo, các
nội dung chính sẽ được trình bày là cấu
tạo và phương pháp điều chế của MMC, các vòng điều khiển tương ứng của hệ điều khiển MMC-HVDC phù hợp với kết nối giữa hai lưới điện xoay chiều Phần
mô phỏng tập trung vào các trường hợp trao đổi công suất, phân tích một số trường hợp vận hành thực tế trong liên kết trao đổi điện năng giữa Việt Nam và Trung Quốc
2 BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP KIỂU MODULE
2.1 Cấu tạo
Bộ biến đổi đa mức nguồn áp kiểu module (MMC) sử dụng nhiều module thành phần (SM) nối tiếp với nhau tạo thành (hình 2) Mỗi một cầu pha sẽ có số
SM là 2N bố trí thành hai nửa cầu đối
xứng nối tiếp với một kháng điện
Hình 2 Cấu trúc của MMC (a), module thành phần (b)
2.2 Phương pháp điều chế NLM cho MMC
MMC làm việc dựa trên nguyên tắc cộng dồn điện áp của từng SM có được do sự kết hợp trạng thái làm việc giữa các van
Trang 3bán dẫn Tại mỗi thời điểm số lượng SM
của mỗi cầu pha được đưa vào hoạt động
luôn là N, và khi số lượng SM ở hai nửa
cầu bằng nhau thì điện áp ra sẽ bằng 0
[2-5] Việc điều chế xung đóng cắt của
các SM có thể được thực hiện bằng
phương pháp NLM (Nearest Level
Modulation) phổ biến hiện nay dành cho
MMC [2,4] Trong bài báo này, nguyên lý
cơ bản của NLM được áp dụng, đó là việc
so sánh từng bậc điện áp với sóng hình sin
tham chiếu để tạo ra xung điều khiển
đóng cắt các SM tương ứng Nếu gọi us(t)
là sóng điện áp tham chiếu, UC là điện áp
của tụ điện SM, thì tại mỗi thời điểm, số
SM nửa cầu trên cần đóng vào np và của
nửa cầu dưới nn được tính như sau:
2
s p
C
u N
U
2
s n
C
u N
U
Điều kiện N=np + nn luôn đảm bảo, tương
ứng với sóng điện áp đầu ra có N+1 bậc
2.3 Điều khiển cân bằng điện áp tụ của
module thành phần
Đối với MMC, việc tích trữ năng lượng
phía một chiều được thực hiện bởi nhiều
tụ điện của SM ghép nối với nhau, do vậy
cần phải điều khiển cả giá trị điện áp một
chiều tổng và cân bằng điện áp tụ của
từng SM Để thực hiện cân bằng điện áp
tụ, thuật toán được biết đến nhiều nhất là
thuật toán sắp xếp lựa chọn SM đưa vào
làm việc [6, 7] Thuật toán thực hiện như
sau: (1) Điện áp tụ tại từng thời điểm
trong chu kỳ điều khiển được đo và sắp
xếp theo các nhóm tăng dần và giảm dần
(2) Khi dòng điện đi vào SM theo chiều nạp, các SM có mức điện áp thấp sẽ được đưa vào Ngược lại khi dòng điện đi vào theo chiều phóng của tụ, thì các SM có điện áp tụ cao sẽ được đóng vào
Sơ đồ khối điều khiển tạo xung đóng mở các SM được thể hiện trong hình 3
Hình 3 Sơ đồ khối tạo xung theo NLM
3 ĐIỀU KHIỂN MMC-HVDC
Trong hình 1, nếu gọi điện kháng của
MBA là X, lấy điện áp điểm kết nối Us là
gốc, điện áp đầu ra MMC là Uc trễ pha δ
so với Us, ta có công suất truyền từ hệ thống về MMC là:
sin
s c
U U P
Q
X
Có thể thấy rằng, công suất tác dụng chủ yếu phụ thuộc vào δ, còn công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào hiệu
UsUc.cosδ Thông qua điều khiển δ và độ lớn của Uc mà có thể điều khiển được độ
lớn và phương hướng của P và Q
Phương pháp điều khiển thường dùng hiện nay là phương pháp điều khiển vectơ, tác động thông qua việc điều khiển các thông số công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp một chiều, điện
áp xoay chiều, và tần số [2-4] Trong liên kết lưới điện giữa hai hệ thống xoay chiều trong nghiên cứu này, lựa chọn cặp thông
sref
U
dc
U
2
2
dc pref sref
dc dref sref
U
U
n/d n d
C ref
U
Tìm số nguyên 0
NΣ Thuật toán sắp xếp và cân bằng điện
áp tụ
Xung điều khiển
Trang 4số điều khiển cho phía phát điện (phía
chỉnh lưu) là P và Q, và phía nhận điện
(phía nghịch lưu) là Udc và Q MMC sẽ
được điều khiển để các thông số này bám
theo các giá trị đặt ban đầu
3.1 Mô hình toán học của MMC
Sơ đồ thay thế pha x (x=a,b,c) của MMC
như hình 4 R 0 và L 0 là điện trở và điện
kháng của kháng điện pha, Upx là điện áp
nửa cầu trên và Unx là điện áp nửa cầu
dưới pha x Áp dụng luật Kierchhoff và
một vài biến đổi ta có:
x
di t
trong đó:
u t u u R0=2R ; L0 = 2L
Hình 4 Sơ đồ thay thế pha x (a,b,c) của MMC
Trong hệ đơn vị dq hệ phương trình 5
được biểu diễn thành :
R sL i s u s u s Li s
R sL i s u s u s Li s
3.2 Bộ điều khiển vòng trong
Bộ điều khiển vòng trong (bộ điều khiển
dòng điện) điều khiển dòng điện pha bám
theo giá trị tham chiếu Có thể thấy từ (6),
dòng điện trục d-q có quan hệ tương hỗ,
dẫn đến điện áp tương hỗ trục d-q với lượng bù là Li q và Li d, sử dụng điều khiển PI có thể có hệ phương trình mô tả tín hiệu điện áp tham chiếu để điều khiển MMC như (7), và sơ đồ được thể hiện trong hình 5
Hình 5 Bộ điều khiển dòng điện
1 ef
2 ef
k i i dt
k i i dt
(7)
3.3 Bộ điều khiển vòng ngoài
Bộ điều khiển vòng ngoài căn cứ vào giá trị công suất tác dụng và phản kháng đối với phía phát điện; công suất phản kháng
và điện áp một chiều đối với phía nhận điện để tính toán ra dòng điện tham khảo cho bộ điều khiển dòng điện
Công suất tức thời trong hệ dq là:
,
,
3 2 3 2
s dq sd d
s dq sd q
(8)
Có thể thông qua id và iq để điều khiển Ps
0
L
0
R
px
u +
-0
L
0
R
nx
u
+
-cx
u
dc
U
x
i
Trang 5và Qs, tức điều khiển độc lập Ps và Qs Để
giảm thiểu sai số ta dùng bộ điều khiển PI
như mô tả trong hình 6
Hình 6 Bộ điều khiển công suất PQ
Công suất phía xoay chiều cũng chính là
công suất phía một chiều, và do đó ta có
quan hệ (9)
3
2
sd d
dc
dc
u i
i
Như vậy, cũng có thể thông qua id để điều
khiển Udc Bộ điều khiển điện áp một
chiều căn cứ theo giá trị đặt Udcref tiến
hành điều chỉnh công suất tác dụng truyền
tới phía một chiều để giữ Udc (hình 7)
Hình 7 Bộ điều khiển điện áp một chiều
Hình 8 Sơ đồ khối tổng quan
điều khiển trạm biến đổi
Bộ điều khiển vòng ngoài của hệ thống
một phía điều khiển theo P và Q và phía kia điều khiển theo Udc và Q Sơ đồ khối
điều khiển mỗi trạm biến đổi của liên kết MMC-HVDC như hình 8 Cả hai trạm biến đổi đều được thiết kế đầy đủ các bộ điều khiển, dễ dàng chuyển đổi từ chỉnh lưu sang nghịch lưu
4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Với cấu trúc hệ thống như hình 1, máy biến áp có các cấp điện áp là 220 kV (phía lưới AC) và 110 kV (phía bộ biến đổi)
Mỗi nửa cầu pha của MMC được bố trí số
mô đun N=10 có UC=20 kV, tổng điện áp một chiều là 200 kV Tụ điện của SM được chọn đảm bảo giá trị điện áp ra có xét tới dao động điện áp tụ Cuộn kháng pha cũng được lựa chọn để giảm thiểu ảnh hưởng của dòng điện vòng trong mạch cầu pha và dòng sự cố qua MMC [4,5,8]
Các thông số mô hình được cho trong bảng 1 và bảng 2
Các trường hợp nghiên cứu được xây dựng căn cứ vào thực tế trao đổi công suất, Trung Quốc là phía phát điện (AC2)
và Việt Nam là phía nhận điện (AC1)
Trường hợp 1: Truyền 200 MW công suất tác dụng và thay đổi lên mức
300 MW ở 0,75 s, không phát công suất phản kháng
Trường hợp 2: Khi đang vận hành
300 MW, lần lượt điều khiển các bộ biến đổi phát công suất phản kháng lên lưới
AC, phía Việt Nam tại 1 s và phía Trung Quốc tại 1,25 s
Trường hợp 3: tác động điều khiển
giảm P=0 tại 1,5 s trong khi vẫn duy trì
mức phát công suất phản kháng
Trang 6Bảng 1 Thông số mạch mô hình MMC-HVDC
Đại lượng Ký hiệu Giá trị
Công suất định mức Pđm 300 MW
Điện áp định mức
module thành phần
USM 20 kV
Điện áp DC định
mức
Udc 200 kV
Điện trở nhánh cầu Rarm 0,02 Ω
Điện cảm nhánh cầu Larm 0,06367 H
Tụ điện mỗi module
con
CSM 1680 μF
Bảng 2 Thông số điều khiển
Bộ điều khiển Kp Ki
Điện áp một chiều 0,163 0,177
Công suất phản kháng 0,095 0,518
Dòng điện: d
q
15,534 15,236
0,949 1,043
Công suất tác dụng 0,042 0,597
Công suất phản kháng 0,014 5,218
Dòng điện: d
q
15,666 15,9
0,126 0,107
Hình 9 cho thấy kết quả dòng điện được điều khiển bám sát dòng điện tham chiếu được tạo ra từ vòng điều khiển ngoài Hệ thống điều khiển ổn định, giá trị công suất đầu ra của mỗi hệ thống bám sát các giá trị đặt mong muốn điều khiển
Công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều khiển hoàn toàn độc lập Ngoài ra, hệ thống còn cho phép mức truyền công suất tác dụng bằng 0, trong khi vẫn phát công suất phản kháng Có thể quan sát kỹ trong hình 10 công suất tác dụng phía nhận điện (Ps1) nhỏ hơn một chút so với phía phát điện (Ps2) do có tổn thất trên hệ thống
Dòng điện phía xoay chiều thay đổi ổn định theo mức thay đổi của công suất (hình 11) Điện áp tại PCC (tính qui về cấp 110 kV) dao động rất ít ở cả hai phía
hệ thống (hình 12) Hình 13 cho thấy tại điểm PCC, sóng điện áp gần như đạt được dạng sin chuẩn Điện áp nửa cầu trên pha
a có dạng bậc thang 11 cấp điện áp, kết
hợp với điện áp nửa cầu dưới có dạng tương ứng sẽ có điện áp đầu ra bộ biến đổi có đặc tính rất tốt
Hình 9 Dòng điện điều khiển và dòng điện tham chiếu
Dong dien duoc dieu khien bam thao cac gia tri tham chieu
-12.5 -7.5 -2.5 0.0 5.0 10.0
-6.0 -2.0 0.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
Trang 7Hình 10 Sự thay đổi công suất tương ứng ở hai đầu hệ thống
Hình 9 Dòng điện các pha điểm kết nối PCC phía Trung Quốc (trên) và phía Việt Nam (dưới)
Hình 12 Điện áp pha a điểm kết nối PCC phía Trung Quốc (trên) và phía Việt Nam (dưới)
Cong suat trao doi giua hai phia
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
-0.8k -0.6k -0.4k -0.2k 0.0 0.2k 0.4k 0.6k 0.8k 1.0k
Dong dien tai diem PCC
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Is
-6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0
Is
Dien ap pha a tai diem PCC
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
-100
100
Ung_TQ
-100
100
Ung_VN
Trang 8Hình 13 Điện áp pha a phía Việt Nam (từ trên xuống): nửa cầu trên, đầu ra bộ biến đối, PCC
Điện áp DC cũng được điều chỉnh ở giá
trị ổn định 200 kV mặc dù có những dao
động nhỏ tại những thời điểm có sự thay
đổi về công suất ở các bộ điều khiển (hình 14)
Hình 14 Điện áp phía một chiều của hệ thống
5 KẾT LUẬN
Từ các kết quả và phân tích trên có thể
nhận thấy, việc ứng dụng MMC-HVDC
trong việc liên kết trao đổi điện giữa Việt
Nam - Trung Quốc có một số ưu điểm:
a Phương pháp điều chế NLM và thuật toán sắp xếp cân bằng điện áp tụ cho ra sóng điện áp có dạng gần sin chuẩn Điều này cho phép MMC-HVDC không cần thêm các bộ lọc sóng hài như các cấu hình khác của VSC
Dien ap pha a
Thoi 1.680 1.690 1.700 1.710 1.720 1.730 1.740
-120
120
U_pA_tren
-120
120
Ucona
-120
120
Unga
Dien ap phia DC
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
0
50
100
150
200
250
300
Udc
Trang 9b Công suất tác dụng và phản kháng
được điều khiển hoàn toàn độc lập Mức
truyền công suất có thể thay đổi linh hoạt,
thuận lợi cho điều độ và vận hành giữa
hai quốc gia
c MMC-HVDC cho phép phát công suất
phản kháng lên lưới xoay chiều trong khi
không truyền công suất tác dụng Điều
này đặc biệt có lợi trong việc huy động công suất phản kháng để điều chỉnh chế
độ của lưới điện và điều chỉnh điện áp khi cần thiết
Đó cũng là tiền đề để nghiên cứu sâu hơn
về kinh tế và các vấn đề kỹ thuật khác trong ứng dụng MMC-HVDC tại Việt Nam
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] EVN, 2016 Vietnam Electricity Annual Report, http://www.evn.com.vn/
[2] Mircea Eremia (Editor), Advanced Solutions in Power Systems: HVDC, FACTS, and Artificial
Intelligence, IEEE Press, United State of America, First edition, 2016
[3] Dragan Jovcic, High voltage direct current transmission: converters, systems and DC grids, Wiley
John&Son, United State of America, First edition, 2015
[4] Zheng Xu, and others, Flexible high voltage direct current transmission system [in Chinese], China
Machine Press, China, first edition, 2013
[5] Qingrui, and others, Parameter design principle of the arm inductor in modular multilevel converter
based HVDC, 2010 International Conference on Power System Technology (POWERCON), Zhejiang,
China, p.1-6, 24-28 Oct 2010
[6] Trần Hùng Cường và cộng sự, Phương pháp điều chế NLM và thuật toán c n bằng năng lượng cho
bộ biến đổi đa mức cấu tr c module, Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về điều khiển và tự động hóa,
Thái Nguyên, Việt Nam, P.1-7, 28-29.11.2015;
[7] Byung Moon Han, Jong kyou Jeong, Switching-Level Simulation Model of MMCbased Back-to-Back
Converter for HVDC Application, Conference in Power Electronics (IPEC), Hiroshima, Japan, p 937
- 943, 2014
[8] Beddard, A.Barnes, M., Modelling of MMC-HVDC Systems – An Overview, Energy Procedia, Vol 80,
Supplement C, p.201-212, 2015
Giới thiệu tác giả:
Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp đại học và thạc sĩ tại Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội vào các năm 2003 và 2010 Năm 2015 nhận bằng Tiến sĩ hệ thống điện và tự động hóa tại Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc Hiện nay tác giả đang công tác tại Trường Đại học Điện lực
Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, ứng dụng điện tử công suất,
độ tin cậy của hệ thống điện